1. 서 론

국제해사기구의 해양환경 국제협약에 따라 선박의 에너지 효율 설계지수 및 선박 에너지 효율 관리계획의 규제가 강화됨에 따라 노후 선박의 퇴출 및 선박의 에너지이용 효율을 높이는 기술 연구가 활발히 진행되고 있다 ^(1,2). 그림 1은 선박의 추진기의 종류를 나타낸다. 기존의 프로펠러와 방향타로 구성된 기계식 추진기는 구동축에 의한 진동 및 소음이 발생하는 문제가 있으며 추진 전동기가 내장된 POD(Propulsor of outboard drive)가 적용된 기계-전기식 추진기는 POD의 길이가 길고 직경이 커서 추진 효율이 낮으므로 소형 선박에는 적합하지 못한 단점이 있다. RDP(Rim driven propulsor)는 기존의 프로펠러의 구동축과 허브가 없는 구조로 전동기의 고정자와 회전자가 덕트내에 설치되고 추진기의 회전 중심 근방까지 날개가 배치되는 형태로 기계식 추진기와 포드 추진기에 비해 콤팩트한 설치 및 배치, 높은 유체역학적 효율 등 많은 장점을 가지고 있으며 다양한 연구가 진행되고 있다 ^(3-5). 그러나 추진기의 개선만으로는 선박의 에너지 효율 향상에 한계가 있다. 그러므로 추진기의 동력 혹은 전력을 공급하기 위한 추진 시스템의 효율 향상 기술에 대한 연구가 필요하다. 효율 향상 기술의 방안으로 선박에 하이브리드 전기 추진 시스템의 적용은 배출가스 허용기준을 만족하면서 연료소모량의 감소 효과를 가질 수 있는 가장 효율적인 추진 체계로 조선 업계에서 하이브리드 전기 추진 선박이 차지하는 비중은 점점 늘어나고 있는 추세이다.

기존 기계-전기식 추진 선박과 비교하여 하이브리드 전기추진 선박은 엔진의 소음과 진동의 저감, 엔진의 설치 자유도 증대 및 선박의 조종성이 향상되는 장점을 가진다 ⁽⁶⁾. 하이브리드 전기추진 선박의 추진 시스템에 전력을 공급하기 위한 전원 공급 시스템은 AC 배전 시스템과 DC 배전 시스템으로 구분되어 진다. 소형선박의 DC 배전 시스템은 AC 배전 시스템보다 약 30%의 무게 감소와 약 20%의 연료 소모량 감소 효과를 확인하였다 ⁽⁷⁾. 추가적으로 DC 배전 시스템에 ESS (Energy storage system)을 연계하면 동일한 선박의 운항 성능을 유지하면서 선박 내에 설치되는 원동기의 정격 출력량을 감소시켜 무게와 부피를 줄일 수 있다 ^(8,9). 하이브리드 전기추진 소형 선박의 성능은 탑재 공간과 무게가 제한되는 특성으로 인해 디젤발전기와 ESS의 사양 및 상호 동작에 따라 운항 시간 및 연료 소모량이 크게 영향을 받게 된다. 그러므로 본 논문에서는 기존 기계식 추진 선박을 하이브리드 전기 추진 선박으로 대체하기 위한 기본 설계를 제시하고 기존의 운항 시간 유지와 연료 소모량 감소를 위한 운전 제어 알고리즘을 제안한다. 제안된 제어는 RDP 전동기 속도에 따른 출력 곡선을 기반으로 세 가지 모드로 구성된다. 제어 모드는 디젤 발전기와 에너지 저장 시스템의 동작을 결정하게 된다. 제안된 알고리즘의 유효성은 운전주파수와 응답성이 빠른 전기 시스템과 상대적으로 느린 선박의 동특성의 차이로 인해 선박의 구성요소를 간략화한 부하 모델을 개선한 선박의 동적 모델을 고려한 부하 시뮬레이션을 이용하여 전기적 특성과 선박의 동특성을 확인하여 검증하였다.

2. 선박용 하이브리드 추진 시스템

3. 선박 동적 모델

전기 추진 선박은 전기적 시스템과 기계적 시스템으로 구분할 수 있다. 엔진, 프로펠러 및 선박 모델과 같은 기계적 시스템은 전기적 시스템보다 응답성이 매우 느리므로 시뮬레이션 소요시간이 길며 구동 컴퓨터의 메모리 사용량이 크기 때문에 실질적인 시뮬레이션 구현은 한계가 있다 ⁽¹⁰⁾. 그러므로 전기적 시스템과 기계적 시스템의 동특성을 모두 반영할 수 있는 통합 시뮬레이션 모델에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다 ⁽¹¹⁾. 이러한 연구는 전기적 시스템의 모델 구현에 집중되어 있으며 선박 동적 모델의 경우 단순 부하 프로파일을 이용한 모델을 적용한 문제점이 있다. 따라서 본 논문에서는 단순 부하 모델을 MMG (Mathematical modeling group) 모델을 대체한 개선된 선박 모델을 적용하여 구현하였다 ⁽¹²⁾. 선박의 운동 방정식은 선박의 위치를 정의하기 위한 지구고정좌표계와 선박의 Surge(X), Sway(Y), Yaw(Z)로 하는 고정좌표계로 다음과 같이 나타낼 수 있다 ⁽¹³⁾.

여기서, m과 I는 선박 질량 및 질량관성모멘트, u와 v는 종방향과 횡방향 속도, $\dot u$와 $\dot v$는 속도의 시간변화율, xg는 선박의 무게중심, r은 선박의 무게중심을 기준으로 회전하는 각속도, $\dot r$은 각속도의 시간변화율을 나타낸다. 선박에 작용하는 힘과 모멘트를 평가하기 위한 3 DOF(Degree of freedom)에서의 선박의 매개변수와 유체 역학적 계수를 기반으로 오일러 방정식으로 선박의 힘, 가속도, 속도를 구할 수 있으며 수치적 적분을 통해 선박의 위치 및 정위를 구할 수 있다 ⁽¹⁴⁾.

MMG 모델의 개별 요소인 유체 역학적 힘과 선박에 작용하는 모멘트는 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 아래첨자 H, P, R은 선체, 프로펠러, 방향타를 의미하며 유체역학 수식의 자세한 내용은 ⁽¹⁵⁾에 언급되어 있다.

4. 운영 제어 알고리즘

그림 4는 속도에 따른 RDP 구동 시스템이 소비전력 곡선을 나타낸다. 디젤 발전기와 ESS 상호 동작은 시스템에서 가장 전력 소모가 큰 RDP 구동 시스템의 속도의 제곱에 비례하는 소비 전력 특성을 고려해야한다. 운영 제어 모드는 총 세 가지 모드로 구성된다. 모드 1은 선회 시스템 10kW와 기타 부하 5kW가 최대로 동작하는 경우를 고려하여 소비전력이 1.5kW인 145rpm까지는 ESS가 단독으로 전원을 공급하도록 설정하였다. 모드 2는 ESS의 용량은 20kW/h이므로 145rpm부터 소비전력이 50kW인 455rpm까지는 디젤엔진이 전력을 공급하고 잉여 전력을 배터리에 충전하도록 설정하였다. 모드 3은 소비전력이 50kW 이상인 경우 디젤엔진과 ESS가 전력을 공급하게 된다.

제어 모드의 선택은 속도에 따라 선정되므로 속도의 변동이 심할 경우 모드의 변화가 불안정해질 수 있다. 빈번한 모드 변화를 막기 위하여 그림 5와 같이 히스테리시스 밴드를 적용하였으며 히스테리시스 밴드의 크기는 정격 속도 500rpm의 1%로 설정하였다 ⁽¹⁶⁾.

그림 6은 RDP 구동 시스템의 소비전력 곡선을 고려한 운영 제어 모드 선택기의 순서도를 나타낸다. N은 RDP 전동기의 속도, P은 RDP 구동 시스템의 소비전력, N 및 N는 모드 변경 속도값, N는 히스테리시스 밴드 값을 나타낸다.

모드 1과 3의 경우 ESS의 DC/DC 컨버터는 부스트 모드로 동작하며 모드 2의 경우 벅 모드로 동작하게 된다. 속도에 따라 소비전력이 달라지므로 전력부하의 전력 부족 및 디젤 발전기의 과부하 운전을 방지하기 위해서 배터리의 충전 전류량도 속도에 따라 지령값 변화가 요구된다. Buck 모드에서 배터리 전류 지령값은 다음과 같이 수식으로 표현할 수 있다.

여기서, P는 모드 2에서의 최대 소비전력, P는 속도에 따른 RDP 구동 시스템의 소비전력 값, v는 배터리의 전압값을 나타낸다. 표 3과 그림 7은 DC/DC 컨버터의 파라미터와 제어 블록도를 나타낸다. 스위칭 주파수는 2kHz로 선정하고 전력소자의 스위칭으로 인한 전류 리플을 줄이기 위해 10mH인 인덕터를 2 병렬로 구성한 인터리빙 토폴로지로 선택하였다. 부스트 제어기는 DC링크 전압 유지를 위한 전압 PI 제어기와 방전 전류 제어를 위한 전류 PI 제어기로 구성된다. 벅 제어기는 식(4)에서 계산된 전류 지령 PI 제어기로 구성된다.

5. 시뮬레이션

표 4는 하이브리드 전원 공급 시스템의 사양을 나타낸다. 디젤 엔진은 1800rpm에서 정속 운전을 하게 되며 DC 링크 전압은 KS V IEC60092-101의 전압 기준 이내 540V±10%로 선정하였다. 배터리의 전압은 259 ~ 294V이며 배터리의 권장 충전 및 방전 전류를 고려하여 충전 전류는 0.5C, 방전 전류는 1.0C로 선정하였다. 그림 8은 전력전자 시뮬레이션 소프트웨어인 PSIM을 이용하여 선박 동적 모델을 고려한 통합 모델의 시뮬레이션 회로를 나타낸다. 총 5개의 Subcircuit를 이용하여 디젤엔진, 하이브리드 전원공급 시스템, RDP 구동 시스템, 선회 시스템, 선박 동적 모델를 구현하였다. 선박 동적 모델의 구성과 파라미터 값의 선정은 ⁽¹⁷⁾을 참고하여 구현하였다.

그림 9와 그림 10은 RDP 전동기의 속도에 따른 하이브리드 전원 공급 장치의 응답 특성을 나타낸다. 운영 제어 알고리즘의 동작을 확인하기 위해서 RDP 전동기의 지령 속도를 0 ~ 500rpm, 500 ~ 0rpm으로 변경하여 특성을 확인하였다. 145rpm이하에서는 모드 1로 동작하여 ESS의 전류 i가 부하 전류 i를 모두 공급한다. 145 ~ 455rpm까지는 모드 2로 동작하여 디젤엔진의 정격속도 1800rpm으로 구동되어 부하에 전력을 공급하고 RDP 전동기 속도에 따른 소비전력 곡선에 따라 DC/DC 컨버터의 충전전류 i가 제어되어 배터리를 충전하게 된다. 455rpm이상에서는 모드 3으로 동작하여 ESS는 1.0C인 65A 이하 범위 내에서 전력을 공급하며 그 외 전력은 디젤 발전기가 전력을 공급함을 확인할 수 있다. 모드 변환 구간에서의 전압의 변동은 최대값은 565V 최소값은 531V로 각각 4.6%와 1.7%로 540V±10%을 만족함을 확인할 수 있다.

그림 11은 RDP 전동기의 속도에 따른 디젤 발전기의 전력, ESS의 전력, 부하 전력을 나타낸다. 모드 1에서는 요구되는 부하전류는 ESS에서 모두 공급하고 모드 2에서는 디젤 발전기가 전력을 공급하며 NP 곡선에 따라 최대 충전 전류 0.5C인 35A 내에서 최대 10kW까지 배터리의 충전됨을 확인할 수 있다. 모드 3에서는 디젤 발전기에서 60kW의 전력을 공급하고 ESS가 20kW를 공급하여 선회 시스템의 소비전력을 제외한 총 80kW 부하에 전력을 공급함을 확인할 수 있다.

그림 12와 그림 13은 선박이 최대 속도에 도달 후 20초 시점에서 타각을 35°도 발령하였을 때의 정상선회성능 시험의 선박 동특성을 나타낸다. RDP 전동기의 토크는 500rpm에서 약 1400Nm이며 타각 발령되면 토크가 감소하여 약 1300Nm에서 수렴됨을 확인할 수 있다. 선회 시스템의 전동기는 타각이 발령되면 과도 상태 이후 약 1450Nm에서 수렴됨을 확인할 수 있다. 추력의 경우 500rpm에서 약 5950N이며 타각 발령 이후 Sway와 Yaw가 2600N와 2400N이 발생하여 6800N까지 상승하여 선박의 속도는 4.3m/s에서 2.6m/s로 감소됨을 확인할 수 있다.

그림 14는 선박의 정상선회성능 시험에서의 하이브리드 추진 시스템의 출력 특성을 나타낸다. RDP 전동기의 속도가 500rpm까지 도달할 때까지 모드1에서 모드3까지 동작하여 DC 링크 전압은 안정적으로 유지함을 확인할 수 있으며 타각 발령 이후에도 전력부하에 안정적인 전원공급이 됨을 확인할 수 있다.

표 5는 그림 11의 전력 비교 결과 데이터를 기반으로 선박의 총 운항 시간을 8시간으로 가정하였을 때 기계-전기 추진 시스템과 하이브리드 추진 시스템의 연료 소모량의 비교를 나타낸다. 모드 1에서는 기계-전기 추진 시스템은 1시간 동안 약 7.9L를 소모되며 하이브리드 추진 시스템은 ESS에서 부스트 모드로 전력을 모두 공급하므로 연료 소모량이 없다. 모드 2는 ESS의 ON/OFF에 따라 두 가지 경우로 구분할 수 있다. 기계-전기 추진 시스템은 ESS가 없기 때문에 연료 소모량은 없으며 하이브리드 추진 시스템은 최대 충전 전류 0.5C 기준으로 약 3.65시간동안 충전이 가능하며 연료 소모량은 약 54.13L이다. ESS OFF인 경우 기계-전기 추진 시스템은 5시간 동안 56.15L의 연료를 소모하며 하이브리드 추진 시스템은 1.35시간동안 15.39L를 소모한다. 모드 3에서는 시스템별로 2시간동안 55.8L, 47.98L를 각각 소모한다. 총 연료소모량은 각각 119.4L와 114.5L로 차이는 약 4.9L로 하이브리드 추진 시스템이 약 4%의 연료 소모량을 감소함을 확인할 수 있다.

6. 결 론

본 논문에서는 기계-전기 추진 선박에 하이브리드 RDP 시스템을 적용하기 위한 기본 사양 선정과 ESS 연계를 통한 연료소모량을 저감하기 위한 운영 제어 알고리즘을 제안하였다. 선박의 사양을 기반으로 디젤 발전기, ESS 사양을 선정하였으며 전력부하인 선회 시스템 및 기타 부하의 소비전력을 고려하여 RDP 구동 시스템의 RDP 전동기의 속도에 따른 소비전력 곡선을 기반으로 한 모드 선택기와 전류 지령 제어 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘의 유효성은 단순 부하 프로파일을 개선한 선박 동적 모델을 고려한 시뮬레이션을 통해 입증하였다. 결과적으로 연료 소모량은 기존의 기계-전기 추진 시스템에 비교하여 하이브리드 추진 시스템이 약 4% 감소함을 확인하였다.